Science Bulletin:上海植生所王二濤組發表基於絕對豐度的植物根際...

Science Bulletin: 基於絕對豐度的植物根際微生物群落「擴增-選擇」組裝模型

2020年3月7日，Science Bulletin在線發表中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理與生態研究所王二濤課題組及其合作團隊完成的題為 「An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly」 的研究論文，該研究基於微生物絕對豐度提出了植物根際微生物群落 「擴增-選擇」 組裝的新模型。

根際微生物群落「擴增-選擇」組裝新模型：左圖為基於微生物相對量的根際微生物群落「兩步選擇」組裝模型（two-step selection model），右圖為根際微生物群落「擴增-選擇」組裝新模型（Amplification-selection model）。

基於絕對豐度的植物根際微生物群落「擴增-選擇」組裝模型

An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly

Impact Factor：6.28(預計9.61)

DOI：https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.005

發表日期：2020-03-07

第一作者：Xiaolin Wang(王孝林)1,2

合作作者：Mingxing Wang(王明星)1,3, Xingguang Xie(謝星光)1, Siyi Guo(郭思義)4, Yun Zhou(周雲)4

主要單位：

1中國科學院分子植物科學卓越創新中心(Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences)

2上海師範大學生命科學學院(College of Life Sciences, Shanghai Normal University)

3中國科學院大學(University of Chinese Academy of Sciences,)

4河南大學生命科學學院(Department of Biology, Henan University)

背景介紹

在自然界中，植物根系與大量的微生物互作，這些微生物定殖在根際土中，或附著於根系表面，或定殖於根內，統稱為植物根際微生物組。植物根際微生物對於植物的生長發育和環境適應具有重要作用。基於傳統的微生物相對豐度（the relative abundance，通過高通量測序16S/18S rRNA基因獲得環境樣本中各微生物群落的相對組成）數據，研究人員提出了根際微生物群落的兩步或多步篩選組裝模型（two-step selection model 或者multi-step selection model），該模型認為：微生物依次在根外土（bulk soil）、根際土 (rhizosphere soil) 和根內 (root) 逐步被篩選，形成植物根際特異的微生物群落（圖1g）。其中變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和放線菌門（Actinobacteria）是根際富集的主要菌群，而酸酐菌門（Acidobacteria）是根際排斥的主要菌群（圖1g）。

基於微生物相對豐度的研究描述了不同植物物種根際微生物的群落組成及多樣性，但忽略了單位質量或體積中不同微生物群落的絕對豐度（the absolute abundance）。另外基於16S/18S rRNA基因的相對豐度研究忽視了不同細菌/真菌的16S/18S rRNA基因的拷貝數差異。因此，相對豐度的研究結果很難與定量的植物生理生態指標進行聯繫，阻礙了我們對於根際微生物生態功能的理解。

研究方法

為了克服常規16S rRNA基因高通量測序研究的局限性，我們採用了以下組合方法 （圖S1）：（1）我們先向根際樣本中添加了已知含量的人工合成的spike-in質粒（spike-in質粒包含隨機排列的鹼基序列，隨機序列兩端是16S rRNA基因測序的正反向引物對應序列，隨機序列長度及鹼基GC含量與16S rRNA基因測序片段一致），用來定量檢測單位質量根際樣本中細菌16S rRNA基因的總量 （quantified 16S abundance）；（2）我們進一步通過rrnDB資料庫獲取了每種細菌可操作分類單元（Operational Taxonomic Units,OTU）的16S rRNA基因平均拷貝數，然後通過加權平均獲得了每種細菌OTU的絕對細胞數目（quantified bacterial abundance）；（3）我們通過對單拷貝的rpoB基因測序，比較並評估基於16S rRNA基因定量測序計算出的絕對細菌數目的準確性。採用該組合方法，我們定量了蒺藜苜蓿和水稻的根外土、根際土及根內微生物群落的絕對豐度。

圖S1. 一種定量並評估根際微生物絕對豐度的組合方法

結果與討論

通過定量蒺藜苜蓿的根際微生物組，我們發現平均每克根外土、根際土和根系中細菌16S rRNA 基因的含量為1.1 × 109，1.51 × 1010和3.28 × 109，根際土中細菌16S rRNA 基因的含量是根外土的13.7倍。當對16S rRNA 基因的拷貝數進行加權後，我們發現平均每克根外土、根際土和根系中細菌數目為6.91 × 108，6.44 × 109和1.24 × 109，根際土中細菌細胞數目的含量是根外土的9.3倍。表明相對於根外土，細菌的絕對豐度在根際土中是顯著升高的。

植物來源的根際養分被認為可以促進化能有機營養細菌在根際的生長，我們推測根際土細菌絕對豐度的顯著升高可能歸因於部分快速生長細菌的根際擴增。我們進一步分析了主要微生物菌門在根外土和根際中的豐度，發現與根外土相比，主要菌門在根際土中的絕對豐度都顯著擴增，包括變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、綠彎菌門（Chloroflexi）、厚壁菌門（Firmicutes）和 芽單胞菌門（Gemmatimonadete）等（圖1a, b），擴增幅度從2倍到30倍不等，最低的是芽單胞菌門（2.44倍），最高的是α-變形菌門（29.86倍）。

圖1：絕對定量苜蓿根際微生物群落揭示植物根際微生物群落「擴增-選擇」組裝模型

我們進一步在OTU水平分析了細菌類群在根際的擴增情況，發現基於相對豐度根際顯著排斥的OTU中，其中63.9%的OTU在根際土中實際情況顯著擴增（圖1d-f）。另外，我們發現與根外土比，在根際土中絕對豐度降低的OTU的測序reads數都很低，表明這種變化很可能是測序深度不足導致的。因而，我們按絕對豐度的比例對根外土、根際土和根內微生物分別進行抽樣，然後計算三組樣本中細菌的α-多樣性。發現細菌的α-多樣性在根際土中最高，其次是根外土，在根內最低 （圖S5a）。但是如果按照傳統的基於相對豐度的研究方法，不考慮不同樣本中微生物的絕對豐度差異，根外土中細菌的α-多樣性最高，其次是根際土。基於以上結果，我們認為對於大部分細菌類群來說，其在根際土中都顯著擴增（圖S5b）。

圖S5：忽視不同樣本細菌的絕對豐度可能導致α-多樣性的不準確估計

對於植物根內細菌群落，我們發現變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門的絕對豐度顯著高於根外土。根內微生物主要來自於根際，我們進一步分析了根內微生物群落相對於根際微生物群落的比例，發現放線菌門、γ-變形菌門及Δ-變形菌門從根際土進入根內的比例最大，分別為63%、59%和59%。對於水稻根際細菌群落的分析得出了與苜蓿類似的結論。

基於這些研究結果，我們提出根際微生物群落組裝 「擴增-選擇」的新模型，該模型認為，與根外土相比，主要菌門在根際土中的絕對豐度都被顯著擴增，經根際土擴增的微生物進一步被根篩選，形成特異的根內微生物群落。我們把根外土比作「鄉村」或者「沙漠」，把根際土比作「大都市」或者「綠洲」，相對於營養較為貧乏的「鄉村」，「大都市」可以為微生物提供更多的工作機會，大部分微生物能在「大都市」找到崗位並繁衍擴增。不同微生物擴增倍數可能由微生物自身擴增速率，微生物與微生物互作，植物與微生物互作等因素決定。根際微生物群落組裝的「擴增-選擇」新模型，將指導我們定量追蹤植物不同生長周期下其根際微生物的絕對豐度的變化，將根際微生物與植物定量性狀關聯起來，更好利用根際微生物提升農業的可持續發展。

該工作是中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理與生態研究所王二濤課題組與上海師範大學於楠課題組和河南大學張學斌課題組合作完成的，王孝林博士為第一作者。王二濤研究員，於楠副教授和張學斌教授為論文共同通訊作者。該研究受中國科學院和國家自然基金委的資助。

作者簡介

王二濤

王二濤，博士，研究員，博士生導師，「國家傑出青年基金」獲得者。2003年於河南大學獲學士學位；2008年於中國科學院研究生院獲博士學位；2008-2012年在英國John Innes Centre從事博士後研究；2013年至今，任中國科學院上海植物生理生態研究所研究員。主要從事豆科植物-根瘤共生固氮，植物-叢枝菌根真菌共生方面的研究。建立植物-叢枝菌根真菌共生營養交換的新理論模型；克隆菌根因子受體複合，並闡述了菌根因子信號轉導途徑等。研究成果以通訊作者發表在Science, Nature系列, Molecular Plant, The Plant Cell和Cell Research等國際主流學術期刊上，對植物-微生物共生領域有重要影響。

於楠

於楠，博士，副教授。2003於上海交通大學獲學士學位；2010年於中國科學院研究生院獲博士學位；2010-2013年在英國John Innes Centre從事博士後研究；2015至今在上海師範大學擔任副教授。現主要從事植物根部幹細胞層命運決定分子機制及豆科植物根瘤發育分子機理的研究。近年主要研究成果以第一作者或通訊作者發表在Plant Cell, Nucleic Acids Research, Cell Research, Molecular Plant等國際知名期刊。

張學斌

張學斌，博士，教授，博士生導師。2005於山西農業大學獲學士學位；2008年於英國諾丁漢大學獲理學博士學位；2008-2011年在英國Rothamsted Research從事博士後工作；2011-2018就職於美國Brookhaven National Laboratory。現任河南大學生命科學學院教授。主要從事植物苯丙素類化合物合成途徑調控和F-box基因家族功能解析方面的研究。在Nature Communications, Plant Biotechnology, The Plant Cell，Plant Physiology，Molecular plant， Biochemical Journal，FEBS letter等國際知名學術期刊發表研究論文。

王孝林

王孝林，博士。2013年於江南大學生物工程學院獲學士學位；2018年於中國農業大學生物學院獲博士學位；2018年至今在中科院分子植物科學卓越創新中心從事博士後工作。目前主要研究方向為微生物生態和植物微生物組。近年在Nature、The ISME Journal、Soil Biology and Biochemistry、Science Bulletin等雜誌發表過論文。

Reference

Xiaolin Wang, Mingxing Wang, Xingguang Xie, Siyi Guo, Yun Zhou, Xuebin Zhang, Nan Yu & Ertao Wang. An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly. Science Bulletin. 2020. doi:https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.005

雜誌簡介

官網：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SB

海外發行官方：https://www.journals.elsevier.com/science-bulletin

Science Bulletin是由中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦、《中國科學》雜誌社出版的自然科學綜合性學術刊物, 致力於快速報導自然科學各學科基礎理論和應用研究的最新研究動態、消息、進展, 點評研究動態和學科發展趨勢。要求文章短小精悍, 可讀性強, 能在比較寬泛的學術領域產生影響。

2018年影響因子：6.277

預計2019年影響因子 > 9.61

歷史：Science Bulletin原名CHINESE SCIENCE BULLETIN，歷史悠久，自1997即獲得首個影響因子0.3至2016年止影響因子1.649，年發稿量在600篇左右。

當今：2015年雜誌起更名為Science Bulletin，對稿件質量有了更高的要求，年發文量下降至200篇以內，2016年獲得首個影響因子4.902，至2018年跨越式發展，影響因子達6.277。在中國科技期刊國際影響力提升計劃、中國科研全面發展和更嚴格的文章質量控制的背景下，該雜誌今年預計影響因子可達9.61，甚至突破10，值得同行關注。